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行业资讯
2019 年 06 月 20 日

电子元器件失效性分析

电子元器件作为电子系统的基础及核心部件,它的失效及潜在缺陷都会对装备的可靠性产生重要影响。但我们可以通过电子器件失效分析,来确定失效模式和失效原因。从而可以采取措施来预防问题出现。失效分析可以说,对于查明元器件失效原因并向设计者反馈信息是必须的。现今社会制造水平越来越高,元器件的可靠性也越来越受重视,设备研制单位和器件生产厂家对失效分析的需求也越来越迫切。


一、失效分析的基本内容

电子元器件失效分析的目的是借助各种测试分析技术和分析程序认定器件的失效现象,判断其失效模式和机理,从而确定失效原因,对后续设计提出建议。在生产过程中改进生产工艺,器件使用者在系统设计时改进电路设计,并对整机提出相应测试要求、完成测试。因此,失效分析对元器件的研制速度、整机的可靠性有着重要意义。


二、失效的分类

在实际使用中,可以根据需要对失效做适当分类。

按模式分为:开路、短路、无功能、特性退化、重测合格;

按原因分为:误用失效、本质失效、早起失效、偶然失效、耗损失效、自然失效;

按程度分为:完全失效、局部失效;

按时间分为:突然失效、渐变失效、退化失效;

按外部表现分为:明显失效、隐蔽失效等。


三、失效的机理

由于电子器件的失效主要来自于产品制造、实验、运输、存储、使用等一系列过程中发生的情况,与材料、设计、制造、使用密切相关。且电子元器件种类繁多,故失效机理也很多,失效机理是器件失效的实质原因,在此说明器件是如何失效,相当于器件失效的物理和化学过程,从而表现出来性能、性质(如腐蚀、疲劳、过应力等)。


元器件主要失效机理有:

过应力( EOS ):指元器件承受的电流、电压应力或功率超过了其允许的最大范围。

静电损伤( ESD ):指电子器件在加工生产、组装、贮存、运输中与可能带静电的容器、测试及操作人员接触,所带经典经过器件引脚放电到地面,使器件收到损伤或失效。

闩锁效应( Latch-Up ) :电路中由于寄生 PNPN 晶体管存在而呈现低阻状态,这种低阻状态在触发条件去除或者终止后任然会存在。

电迁移( EM ) :当器件工作时,金属互联线内有一定电流通过,金属离子会沿着导体产生质量的运输,其结果会使导体的某些部位出现空洞或晶须。

热载流子效应( HC ) :热载流子是指能量比费米能级大几个 KT 以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态,当其能量达到或者超过 SI-SIO2 界面势垒时(对电子注入为 3.2eV, 对空穴注入为 4.5eV )便会注入到氧化层中,产生界面态,氧化层陷阱或被陷阱所俘获,是氧化层电荷增加或波动不稳,这就是热载流子效应。

栅氧击穿: MOS 器件及其电路中,栅氧化层缺陷会导致栅氧漏电,漏电增加到一定程度即构成击穿。

与时间有关的介质击穿( TDDB ):施加的电场低于栅氧的本证击穿强度,但经历一定的时间后仍然会击穿,这是由于施加应力过程中,氧化层内产生并聚集了缺陷的原因。

由于金 - 吕之间的化学势不同,经长期使用或 200 度以上的高温存储后,会产生多种金属间化合物,如紫斑、白斑等。使铝层变薄、接触电阻增加,最后导致开路。 300 度高温下还会产生空洞,即可肯德尔效应,这种效应是高温下金向铝迅速扩散并形成化合物,在键合点四周出现环形空间,是铝膜部分或全部脱离,形成高祖或开路。

爆米花效应: 塑封元器件塑封料内的水汽在高温下受热膨胀,使塑封料与金属框架和芯片间发生分层反映,拉断键合丝,从而发生开路失效。



四、失效模式

失效的模式指外在的表现形式和过程规律,通常指测试或观察到的失效现象、失效形式,如开路、短路、参数漂移、功能失效等。产品的失效依据其是否具有损伤的时间累积效应而被分为过应力失效和损耗性失效,所以与时间相关的失效模型定量地描述了产品随时间的损伤积累状况,在宏观上表现为性能或是参数随时间的退化。



五、失效分析技术

失效分析技术是失效分析使用的手段和方法,主要包括六大方面:失效定位技术、样品制备技术;显微分析技术;应力验证技术;电子分析技术;成分分析技术。


失效定位技术:失效定位技术的主要目的是确定检测目标的失效部位,随着现代集成电路及电子器件的复杂化,失效定位技术就显得尤为重要。失效定位技术有多种方法,其中无需开封即可进行的无损检测有 X-RAY,SAM 等。 X-RAY 可用于观察元器件及多层印刷电路板的内部结构,内引线的是否开路或短路,粘接缺陷,焊点缺陷,封装裂纹,空洞、桥连、立碑及器件漏装等缺陷。

这也是人工焊接操作时容易反生的问题,经过这几年在线上的学习和工作,对此类缺陷了如于心,这也从根本上排除了由于人工操作引起的失效。 SAM 则可观察到内部裂纹,分层缺陷,空洞,气泡,空隙等,若 X-RAY SAM 不能检测到失效部位,则需要对元器件进行开封,而后用其他方法定位。例如显微检查。


样品制备技术:未解决大部分失效分析,都需要采用解剖分析技术,即对样品的剖层分析,阴气不对观察和测试部分存在破坏。样品的制备步骤一般包括:开发封装、去钝化层,对于多层结构芯片来说,还要去除层间介质。打开封装可以使用机械和化学两种方法,去钝化层可使用化学腐蚀或等离子腐蚀。



显微分析技术:失效原因的分析,失效机理的确定及前文提到的失效定位都要用到现为分析技术。现为分析技术一般采用各种显微镜,且它们个具有优缺点,如景深大成像立体感强的体式显微镜;平面成像效果好的金相显微镜;放大倍数高的 SEM ;制样要求高可观察到晶格结构的 TEM ;成像精度不高但操作方便的红外显微镜;成像精度较高的光辐射显微镜等,要根据实际情况进行设备和方法的选择。



应力验证技术:电子器件在不同环境中可靠性存在差异,如不同温度、湿度下产生的应力,不通电流、电压下产生的电应力等,都会导致电子元器件性能的变化,或失效。因此,可以模拟各种环境参数,来验证元器件各种应力下的可靠性。


电子分析技术:利用电子进行失效分析的方法很多,如 EBT,EPMA,SEM,TEM,AES 等。


成分分析技术:需要确定元器件中某一部分的成分即需要用到成分分析技术,以判断是否存在污染,或组份是否正确,而影响了元器件的性能。常用设备有 EDS,EDAX,AES,SIMS 等。


永利国际是具备CMA、CNAS资质认证的第三方检测机构,累计数十年检测经验和资源团队,能对元器件失效原因进行检测分析,并根据失效分析和根因为产品物料优选、设计改进和失效预防提供技术解决方案。

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